In ons vorige bericht onderzochten we hoe voorspellende modellerings tools atomaire-structuren van virale eiwitten kunnen genereren en experimenteel onopgeloste regio's invullen, zoals ontbrekende waterstofatomen en flexibele lussen. We focuseren op de cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) structuur van het SARS-CoV-2 spike (S) eiwit gepubliceerd in Science (DOI: 10.1126/science.abb2507).

Hier duiken we in hoe verfijnde structurele modellen—vooral van het S-eiwit—hypothesegeneratie voor COVID-19 therapeutica kunnen voeden.

Medicijnbinding Hangt Af van Eiwitdynamiek

Eiwitten zijn niet statisch; hun bewegingen zijn integraal voor functie. Als natuurkundige Richard Feynman opmerkte, "het gedrag van levende systemen kan begrepen worden in termen van de trillingen en bewegingen van atomen." Het SARS-CoV-2 S-eiwit is een voorbeeld hiervan: voor celfusie moet het binden aan de gastheerreceptor angiotensin-converterend enzym 2 (ACE2). Het receptor-bindingsdomein (RBD) bemiddelt deze interactie (zie Figuur 1A). Het RBD oscilleert tussen een "up" (ACE2-toegankelijk) en een "down" (ACE2-onbereikbaar) conformatie (Figuur 1B). Studies suggereren dat de down-toestand stabieler is, wat impliceert dat kleine moleculen die het RBD in de down-conformatie vergrendelen, ACE2-binding kunnen blokkeren en virale instap stoppen.

Het RBD Functioneert als een Scharnier

Een flexibele linker verbindt het RBD met de rest van het S-eiwit, wat de scharnier-achtige overgang tussen down en up toestanden mogelijk maakt (Figuur 1B). We isoleerden het RBD met zijn linker en aangrenzend domein (Figuur 1C). De up-toestand structuur (PDB 6VYB) mist drie lussen cruciaal voor ACE2-interactie; daarom bouwden we een homologiemodel gebruikmakend van zowel 6VYB als de kristalcomplex van RBD-ACE2 (PDB 6M17). Deze lussen, inclusief een van meer dan 20 residuen, zijn essentieel voor binding, en hun accurate modellering stelt ons in staat om correcte protonatiestatussen voor fysiologische pH toe te kennen.

Opvolgende moleculaire dynamica (MD) simulaties kunnen het conformationele landschap van het RBD vastleggen en potentiële small-molecule bindingspockets onthullen. Met BIOVIA Discovery Studio identificeerden we een pocket aan het scharnier van de linker (Figuur 1C) die als doelwit kan dienen voor verbindingen ontworpen om de down-conformatie te stabiliseren.

De Weg Voorwaarts

Om de scharnierpocket te valideren, kunnen onderzoekers normal mode analyse (NMA) of uitgebreide MD simulaties (~honderden nanoseconden) gebruiken om diverse conformaties te samplen. Deze ensembles kunnen vervolgens dienen als input voor high-throughput virtuele screening, waarbij elk verbinding gedockt wordt over meerdere eiwitstatussen. Deze ensemble-gebaseerde benadering heeft zich bewezen hit rates in medicijnontdekking te verhogen en weerspiegelt de realiteit dat ligandbinding afhankelijk is van eiwitdynamiek.

Naast kleine moleculen is het verfijnde S-eiwitmodel ook een waardevol template voor het ontwerpen van monoclonale antistoffen. In-silico affiniteitvermatiging kan antistofspecificiteit verfijnen naar de ACE2-bindingsinterface.

BIOVIA Dassault Systèmes—met meer dan 30 jaar peer-reviewed research—biedt het BIOVIA Discovery Studio platform, dat de volledige medicijnontdekkingspijplijn ondersteunt van doelwitidentificatie tot lead optimalisatie, inclusief biologics ontwerp, klassieke simulaties, fragment-gebaseerd ontwerp, virtuele screening en ADME/toxiciteitsvoorspelling.

In lijn met onze maatschappelijke verantwoordelijkheid biedt BIOVIA een gratis, zes-maands licentie aan kwalificerende academische onderzoepsgroepen die SARS-CoV-2 studies uitvoeren. Geïnteresseerde onderzoekers kunnen de licentie aanvragen en de software downloaden. Dit aanbod blijft beschikbaar tot 30 juni 2020.